このページのまとめ
先に押さえておくこと
Σの性質の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。
答えの要点
部分分数分解とテレスコーピングの答えと条件を先に確認できます。
- テーマ: 部分分数分解とテレスコーピング
- ポイント: 数列の基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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解説
Σの性質を活用した計算テクニックについて解説します。
∑k(k+1)1みたいな形って、∑kや∑k2の公式では計算できないですよね?
そうだね。こういう分数の和には部分分数分解というテクニックを使うんだ。
分解すると項が打ち消し合って、きれいに和が求まるよ。これをテレスコーピング(望遠鏡和)と呼ぶんだ。
k1−k+11を通分してみよう。
k1−k+11=k(k+1)(k+1)−k=k(k+1)1 ちゃんと元に戻るね!この逆の操作が部分分数分解だよ。
では問題を解いていきましょう。
(1)k=1∑nk(k+1)1 まず部分分数分解をします。
k(k+1)1=k1−k+11 よって、
k=1∑nk(k+1)1=k=1∑n(k1−k+11) 各kの値に対して項を書き出すと、
k=1:11−21 k=2:21−31 k=3:31−41 k=n:n1−n+11 その通り!−21と+21、−31と+31、...と順番に消えていくんだ。
これがテレスコーピング(望遠鏡のように縮む)と呼ばれる理由だよ。
打ち消し合った結果、最初の11と最後の−n+11だけが残ります。
k=1∑nk(k+1)1=1−n+11=n+1n 検算してみよう。n=1のとき1⋅21=21、公式に代入すると21で一致するね。
n=2のとき21+61=32、公式では32でOKだ。
(2)k=1∑nk(k+2)1 (1)と似ていますが、分母がk(k+2)で隣り合っていないですね...
いいところに気づいたね!kとk+2は2だけ離れているから、部分分数分解のときに21がつくんだ。
公式k(k+d)1=d1(k1−k+d1)でd=2の場合だよ。
部分分数分解すると、
k(k+2)1=21(k1−k+21) よって、
k=1∑nk(k+2)1=21k=1∑n(k1−k+21) 各項を書き出してみます。
k=1:11−31 k=2:21−41 k=3:31−51 k=4:41−61 k=n−1:n−11−n+11 k=n:n1−n+21 今度は2つ離れた項同士が打ち消し合うから、最初の2項と最後の2項が残るよ。
打ち消し合いの結果、11と21が残り、−n+11と−n+21が残ります。
k=1∑nk(k+2)1=21(1+21−n+11−n+21) ここから通分して整理しよう。()の中を通分するよ。分母を2(n+1)(n+2)にそろえよう。
()の中を通分すると、
1+21−n+11−n+21 =2(n+1)(n+2)2(n+1)(n+2)+(n+1)(n+2)−2(n+2)−2(n+1) 分子を計算すると、
2(n+1)(n+2)+(n+1)(n+2)−2(n+2)−2(n+1) =3(n+1)(n+2)−2(n+2)−2(n+1) =3n2+9n+6−2n−4−2n−2 =3n2+5n=n(3n+5) よって、
k=1∑nk(k+2)1=21⋅2(n+1)(n+2)n(3n+5) =4(n+1)(n+2)n(3n+5) (1)と違って残る項が多いから、通分が大変ですね。
そうだね。d=2の場合は4つの項が残るから通分が必要になるんだ。
検算してみよう。n=1のとき1⋅31=31、公式では248=31でOKだね。
(1)ではd=1だったから1項ずつ、(2)ではd=2だから2項ずつ残ったということだよ。
(3)k=1∑n(2k−1)(2k+1)1 分母がk(k+1)の形じゃなくて(2k−1)(2k+1)の形です。同じようにできますか?
できるよ!(2k+1)−(2k−1)=2だから、差は2だね。
部分分数分解の公式を使ってみよう。
部分分数分解すると、
(2k−1)(2k+1)1=21(2k−11−2k+11) これは2k−11と2k+11の差になっています。kを1増やすと2(k+1)−11=2k+11となり、前の項の引く部分と一致するので、テレスコーピングが使えます。
各項を書き出すと、
k=1:11−31 k=2:31−51 k=3:51−71 k=n:2n−11−2n+11 隣り合う項が打ち消し合い、最初の11と最後の−2n+11だけが残ります。
k=1∑n(2k−1)(2k+1)1=21(1−2n+11) =21⋅2n+12n+1−1 =21⋅2n+12n =2n+1n 検算してみよう。n=1のとき1⋅31=31、公式では31でOK。
n=2のとき31+151=155+1=52、公式では52でOKだね。
このページのまとめ
ここでは部分分数分解を利用したテレスコーピング和について学習しました。
k(k+1)1型の和は数列の問題で頻出です。部分分数分解 → 項を書き出す → 打ち消しを確認、という流れをマスターしてくださいね!
残る項の個数が分母の差に対応することも覚えておくと、素早く解けるようになりますよ。